Masa szybkowiążąca na bazie szkła wodnego i utwardzacza U-10 jako materiał ekwiwalentny

ZESZYTY NAUKOWE POLIT ECHNIKI ŚLĄSKI*T Seria: GÓRNICTWO z. 130

1985

Nr kol. 791^»

Wojoieob PUCHAŁA Ryszard GARNCARZ Józef STRAŚ Jan URBAŃCZYK

MASA SZYBKOWIĄŻĄCA NA BAZIE SZKŁA WODNEGO I UTWARDZACZA U-10 JAKO MATERIAŁ EKWIWALENTNY

Streszozenie. W praoy przedstawiono porównanie własności wy trzy - małośc iowycb mas szybkowiążących wykonanyob na bazie szkła wodnego zawierającyob ohromalit lub utwardzaoz U-10. Podano również charak­

terystyki badanego materiału i możliwości jego zastosowania do mo­

delowania górotworu.

1. Wstęp

Szerokie zastosowanie do rozwiązywania problemów z zakresu mechaniki górotworu badać modelowyoh stawia szereg wymagać, którym muszą sprostać stosowane w niob materiały ekwiwalentne. Wymagania te dotyczą nie tylko oharekterystyoznyoh parametrów fizyko-mechanioznycb, ale także szeregu oeob funkcjonalnych, takiob Jak:

- łatwość wykonania materiału "na zimno" za pomocą ogólnie dostępnych urządzeć laboratoryjnyoh,

- prosty skład,

- łatwość regulowania parametrów fizyko-mechanicznyob, - odpowiedni ozas wiązania,

- odpowiednia konsystencja,

- stałość własnośoi fizyko-meohanioznyoh gotowego modelu.

V najszerszym zakresie odpowiadają stawianym wymaganiom materiały ekwiwa­

lentne wykonywane na bazie szkła wodnego. Zdeoydowało to o ioh szerokim zastosowaniu w praktyce badawozej Instytutu Projektowania Budowy Kopalń i Ochrony Powierzchni - Politeobniki śląskiej. Niestety zaprzestano osta­

tnio produkcji składnika będącego utwardzaozem mas tego typu tzw. obroma- lltu. Sytuacja ta zmusiła do szukania materiału zastępczego. Wybór padł

□a utwardzaoz do mas formierskich szybkowlążąoyob U-10.

V artykule przedstawiono wyniki wstępnyob badać materiałów ekwiwalentnych na bazie szkła wodnego utwardzanyob utwardzaozem U-10 w porównaniu z cha­

rakterystykami dotyobczaa stosowanyob mas utwardzanyob ohromalitem. Doko­

nano także ooeny przydatnośoi masy zawierającej utwardzaoz U-10 do wykonywa­

nia modeli górotworu.

146 W. Puchała i Inni

Omawiany materiał ekwiwalentny zastosowany będzie w modelowyob badaniaob obudowy obodnikowej w atrefie skrzyżowania ściany z ohodniklem przyścia- nowym.

2. Komponenty materiałów ekwiwalentnych na bazie szkła wodnego sodowego i iob charakterystyka

Materiały ekwiwalentne wykonywane na bazie szkła wodnego składają się z następującyoh składników:

- Lepiszcze: szkło wodne sodowe,

- wypełniacz: piasek kwaroowy, względnie mieszanina piasku kwaroowego i kruszywa lekkiego,

- utwardzaoz: ohromalit lub utwardzacz U-10,

- woda ze środkiem powierzobniowo ozynnym lub bez niego.

Dobierając odpowiednio procentowy udział składników możemy otrzymać samoutwardzalną masę o żądanyoh parametraob fizyko-meobanioznyob. Dla przeprowadzenia wstępnych badań porównawozych wykonano szereg próbek o różnej zawartośoi lepiszcza (szklaL wodnego sodowego) przy zastosowaniu jako wypełniaoza piasku kwaroowego, a jako utwardzacza ohromalitu i utwar­

dzacza U-10.

2.1. Opis składników zastosowanych w badanyob masaoh 2.1.1. Szkło wodne sodowe

Jest to mieszanina krzemianów sodowych. Szkło wodne jako sól słabego kwasu i moonej zasady ma odczyn zasadowy, rozkłada się pod wpływem działa­

nia kwasów (nawet bardzo słabych np. kwasu węglowego). Jest to produkt ob­

jęty normą PN-53/C-84104.

2.1.2. Piasek kwaroowy

Piasek stosowany Jako wypełniaoz w masach szybkowiążących musi być Je­

dnorodny i czysty - bez zanieozyszozeń gliniasto-ilastyoh. W zależności od przyjętej skali modelowania należy stosować piasek o odpowiednim u z i e m i e ­ niu:

- drobnoziarnisty (średnioe ziaren 0,12 - 0,21 mm) dla modeli o wysokiej skali modelowania,

- gruboziarnisty (średnica ziaren 0,8 - 0,85 i»m) dla modeli o niższej ska­

li modelowania.

2.1.3. Chromallt

Jest to uszlaobetniony produkt uboozny otrzymywany przy wytwarzaniu że- lazoobromu. Po rozdrobnieniu stosuje się go Jako utwardzaoz przy produkcji

Masa szybkowiążąoa na bazie szkła wodnego..

samoutwardzalnych mas formierskioh. Objęty Jest normą branżową BN-71/

/4021-31. Ostatnio produkoja obromalitu została wstrzymana.

Współdziałanie szkła wodnego sodowego z obromalitem opiera się na zjawi­

sku żelowania krzemianu sodowego w obecności krzemianu dwuwapniowego (główny składnik obromalitu), woda ze szkła wodnego zostaje przyłączona przez krzemian dwuwapniowy powodując jego utwardzenie.

Chromalit umożliwia regulaoję czasu wiązania mieszaniny, wytrzymałości mechanicznej oraz konsystencji mieszaniny.

2.1.4. Utwardzaoz P-10

Jest to pył samorozpadowy otrzymywany przy produkcji tlenku glinu meto­

dą zasadowo-spiekową. Stosowany Jest jako utwardzaoz ciekłych i sypkich mas formierskioh. Objęty jest normą branżową BN-79/4021-32.

2.1.5» Woda

Do badań prowadzonyoh w warunkaoh laboratoryjnych stosuje się wodę wo- dooiągową. Wykluoża się stosowanie wody 6 dużej zawartości siarczanów i chlorków, ze względu na koagulację sodowego szkła wodnego. W celu zwięk­

szenia płynności i plastyczności wykonywanej masy może być stosowane do­

dawanie środka powierzohnlowo-ozynnego zmniejszającego napięoie powierz­

chniowe. Pozwala to na uniknięcie dodawania nadmiaru wody.

3. Badania laboratoryjne materiałów ekwiwalentnych na bazie szkła wodnego sodowego

W celu przeprowadzenia badań wytrzyma­

łościowych materiału modelowego wykonano szereg próbek foremnyoh o kształcie oylin- dryoznyro i prostopadłość lennym o różnej zawartości leplszoza i następnie określono podstawowe własności wytrzymałości'; na ści­

skanie i zginanie. Materiał modelowy utwar­

dzany utwardzaczem U-10 wykonano w dwóch wersjach - o zawartości i 6& wody.

Rys. 1. Schemat obeiążenia próbki przy badaniu na śoi-

skanie

1 - dynamometr pierścienio­

wy, 2 - czujnik zegarowy,3 % płyta doclekowa, 4 - próbka

3.1. Określenie wytrzymałośoi na śolska- nie

Próbę Jednoosiowego ściskania przepro­

wadzono na próbkach oylindryoznyob o śred- nioy d s 40 m m i wysokości 1 s 80 mm.

Próbki oboiążano poprzez dynamometr pier­

ścieniowy (rys. lj. Wielkość siły oboiąża- Jąoej próbkę określono z charakterystyki dymanometru na podstawia wielkośoi ugięcia

11|8

Rys. 2. Zmiana wytrzymałości na śoiskanie Ro) materiału modelowego 1 - materiał modelowy utwardzany obromalitem, 2 - materiał modelowy utwar­

dzany utwardzaczem U-10,

a - zawierający 3fjL wody, b — zawierająoy 6% wody

Hasa szybkowiążąoa na bazia szkła wodnego..

pierdolenia wskazywanej przez ozujnik zegarowy z dokladnośoią do 0,01 mm.

Na podstawie otrzymanej siły krytycznej (pk r ) powodująoej znlszozenie próbki i geometrycznyob wymiarów próbki określono wytrzymałość na śoiaka- nie F o badanego materiału. Otrzymane wyniki pozwoliły wykreślić krzywe (rys. 2) obrazujące zaleZność wytrzymałości na śoiskanie (p0 ) od prooen- towej zawartości lepiszoza dla próbek utwardzacyob ohromalitem (krzywa i) oraz utwardzaozem U - 10 (krzywa 2a i 2b).

V przedstawionym zakresie zawartośoi lepiszcza oharakter przebiegu krzy­

wy ob dla obu mas Jest podobny.

tfartośoi maksymalne dla krzywyoh 1 i 2b są zbliZone, natomiast wartości minimalne są wyższe dla mas utwardzanyob utwardzaczem U-10. Prócz tego widoczna jest znaozna różnica wytrzymałości dla materiałów utwardzanyob utwardzaczem U-10 w zależności od zawartośoi wody (krzywa 2a i 2b).

3.*. Określenie wytrzymałośoi na zginanie

Wytrzymałość na zginania określono metodą zginania beleozek (rys. 3).

Próbie poddano beleozki proatopadłoś L s 160 mm.

Rys. 3. Scbemat obciążenia próbki przy badaniu na zginanie 1 - dynamometr pierścieniowy, 2 - czujnik zegarowy, 3 - próbka, U -

podpory

ienne o wymiaraoh b = kO, b = kO,

Próbki oboiążano poprzez dynamo­

metr pierścieniowy, którego ugięcie wskazywał ozujnik zegarowy z dokła­

dnością do 0,01 mm. Wielkość siły Pkr niszczącej próbkę określono, podobnie Jak w punkcie 3.1 z cha­

rakterystyki dynamometru. Wyznaczo­

ne na jej podstawie wartości wy­

trzymałośoi na zginanie R pozwoli­

ły zbudować wykres (rys. U). Przed­

stawia on zmianę wytrzymałości na zginanie R^ w zależności od pro­

centowej zawartości lepiszcza w masie dla próbek utwardzanych cbro- malitem (krzywa i) oraz utwardza- ozem U-10 (krzywe 2a i 2b). W przed­

stawionym zakresie zawartości lepi­

szoza ( 1 — 6?b) szkła wodnego sodowe­

go) przyrosty wytrzymałości na zgi­

nanie są wyraźnie mniejsze dla m a ­ sy utwardzanej utwardzaozem U-10.

Ponadto wyraźnie ujawnia się wpływ zawartośoi wody.

150

Rys.

k.

dzany utwardzaozem U -1^Q

a - zawieraJąoy 3i wody, b - zawierający 61L wody

3.3. Określenie stosunku wy trzymałośol na śoiskanle do wytrzymałośo1 na zginanie Ro/Rg

Stosunek Ro/Rg mote być traktowany Jako parametr określająoy kru- ohość materiałów. ZaleZność stosunku Ro/Rg od prooentowej zawartośoi lepiszoza dla badanyoh materiałów ekwiwalentnyoh przedstawiono na rys. 5.

Największą wartość omaw.i|anego' parametru osiąga masa modelowa utwardzona utwardzaozem U- 1 0 o zawartośoi wody 6$. Wartość tego stosunku wynosi ok.

*•.5, OO odpowiada potrzebom modelowania większości skał karbońskiob, bez konieoznośoi sztucznego powiększenia kruohośoi układanyoh warstw modelo- wyoh.

Masa szybkowlążąoa na bazie szklą wodnego.. 151

Rys. 5. ZaleZność stosunku Ro/Rg od zawartośoi lepiszcza

1 - materiał modelowy utwardzany ohromalitem. 2 - materia! modelowy utwar- jdzany utwardzaozem U-10

a - zawieraJąoy

yt>

k. Określenie rozszerzonej charakterystyki mas modelowych utwardzanych utwardzaozem U-10

Analiza wyników zawartych na wykresaoh rys. 2, 1» i 5 wykazuje przydat­

ność mas szybkowiążących utwardzanych utwardzaozem U-10 do wykonywania mo­

deli górotworu.

W przypadku mas zawieraJąoyoh małą ilość wody (3i) i szkła wodnego (l-lłi) pewne trudnośoi może sprawić układanie warstw modelu ze względu na krótki ozas wiązania. Dodanie wody powoduje wprawdzie przedłużenie czasu wiąza­

nia, ale równooześnie wpływa na parametry wytrzymałościowe masy. V przy­

padku masy zawierającej zwiększoną ilość wody (6i) dalsze jej dodawanie w oelu wydłużenia ozasu wiązania nie powoduje wldooznej zmiany parametrów.

Jednak, ze względu na wykonywanie modelu o objętości znacznie większej Dlż badane próbki, dodanie zbyt dużej ilośoi wody może zróżnioować wytrzyma­

łość warstw modelu z powodu nierównomiernego odparowywania wody z całego modelu.

Własnośoi

f

152 V. Puohala 1 Inni

i temperatury otoozenia. Pozwala to na przygotowanie modeli 1 prowadzenie badań w pomieszozeniach nie posiadającyoh urządzeń utrzymu Jąoy oh stałą temperaturę 1 wilgotność powietrza.

Rys. 6. Charakterystyki mas szybkowiąZąoyob utwardzanyoh utwardzaczem U-10 1 - masa zawierająca 3^{# wody,} 2 - masa zawierająca wody

a — wytrzymałość na śoiskanie Ro, b — wytrzymałość na zginanie Rg, o — stosunek Ro/Rg

Hasa szybkowiążąoa Da bazie szklą wodnego.. 153

Przedstawiony na wykresaob (rys. 2,U i 5) zakres zawartości lepiszcza (1^-6$ szklą wodnego sodowego) nie obarakteryzuje w wystarczający sposób badanej masy. Niska wytrzymałość masy o zawartości 3$ wody sugeruje mo­

żliwość rozszerzenia użytecznego zakresu zawartośoi lepiszcza.

Dlatego też wykonano rozszerzoną charakterystykę mas utwardzanyoh utwar- dzaozem TJ-10 (rys. 6), Obejmuje ona zakres do 12i zawartości szklą wodne­

go sodowego.

Jak się okazuje wytrzymałość na śoiskanie omawianej masy osiąga wartość maksymalnąjprzy 8-9$ zawartośoi lepiszcza. Dalsze zwiększenie Jego ilośol

powoduje spadek wytrzymałośoi. V związku z tym istnieje możliwość rozsze­

rzenia praktycznie użyteoznego zakresu do ok. 9< zawartośoi lepiszcza.

Jak wynika z charakterystyki (rys. 6) możliwy Jest dobór mas o różnym sto­

sunku Rc/Rg przy utrzymaniu stałej wytrzymałości na śoiskanie lub zgina­

nie.

Odbywa się to drogą ustalenia odpowiedniej zawartośoi szkła wodnego i wo­

dy w masie szybkowiążącej.

5. Ogólne zasady teohnologli przygotowania modelu z materiałów ekwiwalent­

nych wykonanych na bazie szkła wodnego utwardzanyoh utwardzaczem U- 1 0

Przygotowanie modelu górotworu z mas utwardzanyoh utwardzaczem U-10 nie różni się w zasadniczy sposób od prao z wykorzystaniem osa utwardza­

nyoh ahromalitem.

Wykonanie masy sprowadza się do ujednorodniania meobanicznego dwóch skład­

ników:

- składnika stałego - zawieraJąoego w odpowiednioh proporcjach wypełniacz (piasek kwarcowy lob mieszanina piasku kwaroowego i kruszywa) i utwar­

dzacz TJ-10,

- składnika ciekłego - zawieraJąoego odpowiednie ilości szkła wodnego sodowego i wody (ewentualnie z dodatkiem środka powierzohniowo-ozynne- go).

Ujednorodnianie obu składników odbywa się w mieszaroe w ozasie 3-5 minut.

Tak przygotowany materiał Jest gotowy do układania w przygotowanej uprze­

dnio formie.

V celu wyeliminowania wpływu sił taroia materiału modelowego o ściany f o r m y , na wyniki badać laboratoryjnych, należy śoiany formy posmarować olejem wrzeoionowym 1 wyłożyć oienką folią estrafolową.

Oddzielenie kolejnyob warstw modelu w oelu osłabienia spójności w pła­

szczyznach poziomych wykonuje-się przesypująo Je mieloną miką, suchym piaskiem lub pyłem węglowym. Duże znaozenle w procesie wykonania modeli ma intensywność ubijania masy. Wpływ ten może być w niektórych wypadkaeh tak znaczny, że dla uzyskania różnych parametrów wytrzymałościowych odpo-

V. Paobuła 1 Inni

wiadająoyoh imitowanym skałom nie Jest konieczna zmiana receptury mate­

riału. Wystarozy tylko odpowiednio zmienić intensywność ubijania. Z tego względu należy dążyć do uniezależnienia prooesu ubijania od czynników subiektywnych. Jest to możliwe do uzyskania przez zastosowanie Jako urzą­

dzenia ubijająoego walca toczonego odpowiednią ilość razy ze stałą pręd­

kością po powierzohni ułożonej warstwy.

V oelu kontroli poprawnośoi wykonania modelu wskazane Jest wykonywanie próbek z każdej stosowanej partii materiału. Poddaje się Je następnie ba­

daniom wytrzymałościowym, a uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić w jakim stopniu parametry modelu opowiadają założonym.

6^{. Wnioski}

1. Masy szybkowiążąoe na bazie szkła wodnego utwardzane utwardzaozem TJ-10 spełniają wymogi stawiane przed materiałami ekwiwalentnymi. Posiadają o n e :

- odpowiednie parametry wytrzymałościowe, - odpowiednie ozasy wiązania,

- odpowiednią konsystencję.

2. Charakteryzują się możliwośoią regulaoji parametrów w szerokim zakre­

sie, dzięki czemu pozwalają na odwzorowanie wzoroa naturalnego w wielu skalach modelowania.

3. Masy szybkowiążąoe oeohuje duża stabilność własności fizyko-meohanioz- nych niezależnie od zmian wilgotnośoi i temperatury otoozenia.

ą. Prooes wykonywania mas 1 układania modeli charakteryzuje się dużą pro­

stotą i małą czasochłonnością.

5. W porównaniu z masami na bazie szkła wodnego sodowego utwardzanymi obro- malitem, materiały utwardzane utwardzaczem U-10 pozwalają na uzyskanie większej kruchości. Dzięki temu umożliwiają łatjwiejsze odwzorowanie skał bez dodatkowych działać obniżająoyoh kruohość masy.

LITERATURA

[1] Boreoki M . , Chudek M . : Meobanika górotworu - Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwioe 1973.

[2] Chudek M . , Olaszowski V. : Laboratorium meobaniki górotworu - Skrypt Politechniki śląskiej, Gliwioe 1972.

[3] Straś J,, Urbaóozyk J . : Masy szybkowiążąoe Jako nateriały ekwiwalentne do modelowania górotworu - Zeszyty Naukowe Politeohniki Śląskiej seria Górnictwo nr 68, Gliwioe 1976.

Reoenzent: Prof. dr bab. lnż. Kazimierz RUŁKA

Wpłynęło do Redakoji w ozerwou 1983 r.

Masa szybkowiążąca na bazie szkła wodnego.. 155

BUCTPOBHSyiUAH MACCA HA OCHOBE BOAHOIX) CTEKJIA

H OTBEPAKTEJia y - 1 0 B KAHECTBE 3KB HBAJEEHTHOIX) HATEFHAXA

P e s » m e

B paSoxe a&ho cpaBHerae conpoxHBAHragHX cboSctb QucxpoBHxymxx uacc, noay- uphhutt Ha Oaae boahoto cxeKAa, coAepzaunx xpouaxax hah oxsepAHXSAB y-1 0 . AaHa xaxze xapaxxepHCxaxa HCCAeAyeworo Maxepaaxa h BoaudzHociH ero opHxeae- HHA A A H H O A O A H p O B a H H H r 0 p 0 0 6 p a 3 0 B a H H a .

QUICK-SETTING MIX ON THE BASIS OF VATER GLASS AND HARDENING MATERIAL U -10 USED AS AN EQUIVALENT

S u m m a r y

In the paper are presented some comparisons of the strength properties of quick-setting mixes made on the basis of water glass containing obro- malite or hardening material U — 10. Also oharaoteristlos of the investi­

gated material and the possibilities of using it in orogen modelling are given.

I